一种聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化改性方法

1.本发明涉及非结晶线型聚合物表面改性的技术，尤其涉及聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化改性的技术。


背景技术：

2.在工程聚合物的应用中，其阻燃和耐磨性一直受到人们的广泛关注，不断提高其阻燃和耐磨性能已成为当前聚合物研究与应用领域的技术焦点。如果能够将具有阻燃和耐磨性能的无机纳米粒子加入聚合物基体中，可以同时改善聚合物的耐磨性能与阻燃性能。但是，传统的共混制备复合材料方法中，无机纳米粒子用量大，导致聚合物力学性能下降，使其在实际应用中受到限制。此外，目前的表面构筑涂层方法，虽然具有较高的阻燃效率和可以实现多功能一体化等优点，但也存在易开裂、反复作用下易剥离、易受损、制备工艺复杂等问题。聚合物表面改性是一种通常在聚合物加工过程中使用，改变聚合物表面成分和结构、提高聚合物性能的聚合物处理方法。常用的聚合物表面改性方法有物理改性法（低温等离子体处理、紫外处理）和化学改性法（溶液处理、表面接枝、离子注入）。在聚合物表面改性中，通过物理或化学的作用，使聚合物分子链产生活化、支化、交联等反应，或者使聚合物表面的基团组成和键合状态发生改变，从而在保持聚合物整体性能的基础上，改变其表面物理化学性能。聚合物表面改性技术已被广泛应用于医疗卫生、包装、工程等领域。聚碳酸酯属于非结晶线型聚合物，容易受到有机溶剂侵蚀，如果利用其表面相对易损伤、易重构的特点，趋利避害，在一定工艺条件下，将具有阻燃和耐磨作用的无机纳米粒子渗入到其表面上，则可以实现对聚碳酸酯阻燃和耐磨一体化改性的效果。
3.为了能够高效的实现对聚合物的阻燃或耐磨改性，人们在聚合物表面构筑了具有阻燃或耐磨性能的涂层，其中，阻燃涂层中的阻燃剂成分能够在聚合物燃烧时抑制自由基反应或形成炭层，从而延缓和抑制聚合物燃烧，耐磨涂层可以提高聚合物表面的硬度和强度，从而提高聚合物的耐磨性能。
4.中国专利cn201811458366.8公开了异氰酸酯与水玻璃互穿网络聚合物阻燃防腐杂化涂料及制备，该发明采用乙酰丙酮锆螯合物为催化剂，并加入氧化钙，与其他组分共混制备了阻燃防腐涂料。该工艺组分复杂，仅具有阻燃和防腐的作用，无法改善耐磨性能。
5.中国专利cn201010543698.3公开了一种聚合物耐磨涂层材料，以不同粒度的高硬度粒子为主料，与增强剂、粘结剂和固化剂混合为涂层材料。该工艺用料较为复杂，仅具有一定的耐磨效果。
6.applied surface science杂志2020年第505卷报道了一种聚合物表面摩擦改性技术，在这种改性技术中，利用了磁控溅射技术和等离子处理，在聚合物表面原位生成了非晶碳层，提升了聚合物耐磨性能。该方法的缺点是成本较高，操作困难，无法同时改善聚合物阻燃性能。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化改性方法。
8.本发明所述的是一种聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化改性方法，其步骤为：步骤（1）制备助渗溶液：将纯二氯甲烷或将二氯甲烷与无水乙醇混合制备出一种助渗溶液；步骤（2）制备渗入悬浊液：将步骤（1）所得助渗溶液与渗入无机纳米粒子混合制备出一种渗入悬浊液；步骤（3）粒子渗入：将步骤（2）所得渗入悬浊液涂覆在聚碳酸酯表面，反应预设时间后，无机纳米粒子可渗入到聚碳酸酯表面；步骤（4）清洗：用清洗试剂清洗步骤（3）中渗入粒子后的聚碳酸酯，实现聚碳酸酯表面的耐磨阻燃一体化改善效果。
9.相比现有技术，本发明具有以下优点：（1）目前聚合物的表面改性技术有涂层、镀层改性、接枝改性等，均存在改性效果单一、成本高等缺点，而目前关于聚合物表面渗入的改性方法鲜有报道。本发明采用表面渗入无机纳米粒子的方式对聚碳酸酯进行改性，通过助渗溶液的作用，利用聚碳酸酯表面的破坏与重构特点，将具有耐磨与阻燃作用的无机纳米粒子渗入到其表面，实现对聚碳酸酯的耐磨阻燃一体化改性，同时该处理方法不会对聚碳酸酯基体的其他性能产生影响；（2）本发明不但工艺简单、成本较低，而且效率高、改性效果好。综上所述，本发明不但工艺简单、成本较低，而且效率高、改性效果好，一体化有效地改善了聚碳酸酯的耐磨性能与阻燃性能。
附图说明
10.图1为本发明所得表面渗入三氧化二铝改性聚碳酸酯的截面图；图2为本发明所得表面渗入三氧化二铝改性聚碳酸酯的截面局部放大图；图3为本发明所得表面渗入三氧化二铝改性聚碳酸酯的截面铝元素分布图；图4为本发明所得表面渗入三氧化二铝改性聚碳酸酯的截面元素分布总图；图5为本发明所得表面渗入三氧化二铝改性聚碳酸酯的摩擦性能检测结果；图6为本发明所得表面渗入三氧化二铝改性聚碳酸酯的摩擦性能检测结果；图7为本发明所得纯聚碳酸酯燃烧后残炭图；图8为本发明所得表面渗入三氧化二铝改性聚碳酸酯燃烧后残炭图。
具体实施方式
11.本发明是一种聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化改性方法，其步骤为：步骤（1）制备助渗溶液：将纯二氯甲烷或将二氯甲烷与无水乙醇混合制备出一种助渗溶液；步骤（2）制备渗入悬浊液：将步骤（1）所得助渗溶液与渗入无机纳米粒子混合制备出一种渗入悬浊液；步骤（3）粒子渗入：将步骤（2）所得渗入悬浊液涂覆在聚碳酸酯表面，反应预设时间后，无机纳米粒子可渗入到聚碳酸酯表面；步骤（4）清洗：用清洗试剂清洗步骤（3）中渗入粒子后的聚碳酸酯，实现聚碳酸酯
表面的耐磨阻燃一体化改善效果。
12.以上所述的方法，所述步骤（1）中助渗溶液为二氯甲烷或二氯甲烷与无水乙醇按质量分数比例4:6~9:1混合制备的溶液。
13.以上所述的方法，所述步骤（1）中助渗溶液用量为所述聚碳酸酯质量分数的15%~95%。
14.以上所述的方法，所述步骤（2）中无机纳米粒子为平均粒径为10~90 nm的纳米三氧化二铝，或者纳米二氧化锆，或者纳米二氧化硅，或者上述的任意一种或按任意比例复配。
15.以上所述的方法，所述步骤（2）中无机纳米粒子用量为所述聚碳酸酯质量分数的1%~20%。
16.以上所述的方法，所述步骤（3）中反应时间为3-60 min。
17.以上所述的方法，所述步骤（4）中清洗试剂为去离子水或无水乙醇。
18.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对各个实施例作进一步描述。应当理解的是，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。以下各实施例中，若非特指，所有的百分比均为重量单位。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
19.实施例1：聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化改性方法，其步骤为：（1）取二氯甲烷为助渗溶液，用量为聚碳酸酯质量分数的15%；取平均粒径为10~90 nm的纳米三氧化二铝为渗入无机纳米粒子，用量为聚碳酸酯质量分数的1%；（2）将步骤（1）中纳米三氧化二铝与二氯甲烷混合制备成渗入悬浊液；（3）将步骤（2）所得渗入悬浊液涂覆在聚碳酸酯表面，反应时间为3 min；取无水乙醇为清洗试剂，用清洗试剂清洗聚碳酸酯表面，即可实现聚碳酸酯表面的耐磨阻燃一体化改性。
20.图1~图8为实施例1所得产品（聚碳酸酯表面渗入三氧化二铝）检测结果，由图1可知，三氧化二铝粒子渗入聚碳酸酯表面平均深度为160 μm，由图2~图4可知，聚碳酸酯表面渗入层中铝元素含量为12%，表明本发明能够将无机纳米粒子渗入聚碳酸酯表面，实现聚碳酸酯的表面改性。由图5、图6可知，聚碳酸酯表面渗入三氧化二铝后摩擦系数降低；由图7、图8可知，聚碳酸酯表面渗入三氧化二铝后，阻燃等级由hb级提升至v-1级，在燃烧时成炭效果明显，可自熄。表明本发明能够同时提升聚碳酸酯的阻燃性能与耐磨性能，实现聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化的改性。
21.实施例2：聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化改性方法，其步骤为：（1）将二氯甲烷与无水乙醇按质量分数比例9:1混合为助渗溶液，用量为聚碳酸酯质量分数的25%；取平均粒径为10~90 nm的纳米二氧化锆为渗入无机纳米粒子，用量为聚碳酸酯质量分数的4%；（2）将步骤（1）中纳米二氧化锆与助渗溶液混合制备成渗入悬浊液；（3）将步骤（2）所得渗入悬浊液涂覆在聚碳酸酯表面，反应时间为10 min；取去离子水为清洗试剂，用清洗试剂清洗聚碳酸酯表面，即可实现聚碳酸酯表面的耐磨阻燃一体化改性。
22.实施例3：聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化改性方法，其步骤为：
（1）将二氯甲烷与无水乙醇按质量分数比例4:1混合为助渗溶液，用量为聚碳酸酯质量分数的35%；取平均粒径为10~90 nm的纳米二氧化硅为渗入无机纳米粒子，用量为聚碳酸酯质量分数的7%；（2）将步骤（1）中纳米二氧化硅与助渗溶液混合制备成渗入悬浊液；（3）将步骤（2）所得渗入悬浊液涂覆在聚碳酸酯表面，反应时间为20 min；取无水乙醇为清洗试剂，用清洗试剂清洗聚碳酸酯表面，即可实现聚碳酸酯表面的耐磨阻燃一体化改性。
23.实施例4：聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化改性方法，其步骤为：（1）将二氯甲烷与无水乙醇按质量分数比例7:3混合为助渗溶液，用量为聚碳酸酯质量分数的45%；取平均粒径为10~90 nm的纳米三氧化二铝与纳米二氧化锆，按质量分数比例1:1混合为渗入无机纳米粒子，用量为聚碳酸酯质量分数的10%；（2）将步骤（1）中渗入无机纳米粒子与助渗溶液混合制备成渗入悬浊液；（3）将步骤（2）所得渗入悬浊液涂覆在聚碳酸酯表面，反应时间为30 min；取去离子水为清洗试剂，用清洗试剂清洗聚碳酸酯表面，即可实现聚碳酸酯表面的耐磨阻燃一体化改性。
24.实施例5：聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化改性方法，其步骤为：（1）将二氯甲烷与无水乙醇按质量分数比例3:2混合为助渗溶液，用量为聚碳酸酯质量分数的55%；取平均粒径为10~90 nm的纳米三氧化二铝与纳米二氧化硅，按质量分数比例1:1混合为渗入无机纳米粒子，用量为聚碳酸酯质量分数的13%；（2）将步骤（1）中渗入无机纳米粒子与助渗溶液混合制备成渗入悬浊液；（3）将步骤（2）所得渗入悬浊液涂覆在聚碳酸酯表面，反应时间为40 min；取无水乙醇为清洗试剂，用清洗试剂清洗聚碳酸酯表面，即可实现聚碳酸酯表面的耐磨阻燃一体化改性。
25.实施例6：聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化改性方法，其步骤为：（1）将二氯甲烷与无水乙醇按质量分数比例1:1混合为助渗溶液，用量为聚碳酸酯质量分数的65%；取平均粒径为10~90 nm的纳米二氧化锆与纳米二氧化硅，按质量分数比例1:1混合为渗入无机纳米粒子，用量为聚碳酸酯质量分数的16%；（2）将步骤（1）中渗入无机纳米粒子与助渗溶液混合制备成渗入悬浊液；（3）将步骤（2）所得渗入悬浊液涂覆在聚碳酸酯表面，反应时间为50 min；取去离子水为清洗试剂，用清洗试剂清洗聚碳酸酯表面，即可实现聚碳酸酯表面的耐磨阻燃一体化改性。
26.实施例7：聚碳酸酯表面耐磨阻燃一体化改性方法，其步骤为：（1）将二氯甲烷与无水乙醇按质量分数比例2:3混合为助渗溶液，用量为聚碳酸酯质量分数的75%；取平均粒径为10~90 nm的纳米三氧化二铝、纳米二氧化锆、纳米二氧化硅，按质量分数比例1:1:1混合为渗入无机纳米粒子，用量为聚碳酸酯质量分数的20%；（2）将步骤（1）中渗入无机纳米粒子与助渗溶液混合制备成渗入悬浊液；（3）将步骤（2）所得渗入悬浊液涂覆在聚碳酸酯表面，反应时间为60 min；取无水乙醇为清洗试剂，用清洗试剂清洗聚碳酸酯表面，即可实现聚碳酸酯表面的耐磨阻燃一体化改性。
27.以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书的保护范围为准。